JPH0796128A - Single floor pressure variation type adsorption system and method - Google Patents

Single floor pressure variation type adsorption system and method

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JPH0796128A
JPH0796128A JP6236052A JP23605294A JPH0796128A JP H0796128 A JPH0796128 A JP H0796128A JP 6236052 A JP6236052 A JP 6236052A JP 23605294 A JP23605294 A JP 23605294A JP H0796128 A JPH0796128 A JP H0796128A
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Abstract

PURPOSE: To recover product oxygen at increased flow rate using a pressure swing adsorption apparatus and to enhance adsorption capacity of the single bed of adsorbent materials by performing pressurizing/product recovering, partially pressure-reducing, vacuum-exhausting, purging and partially re-pressurizing. CONSTITUTION: Supply air is introduced from a pipe line 1 to the bottom of the single adsorption bed 19 in an adsorption vessel using a blower unit 2 used commonly as a supply blower/vacuum blower and product oxygen is stored in a product surge tank 26 for using afterward at the pressurizing/product recovering stage, void space gas is recovered in an equalization tank 23 at the partially pressure-reducing stage, the desired amount of product oxygen is supplied from the tank 26 to the bed 19 as purge gas at the vacuum- exhausting stage, and the void space gas recovered in the tank 23 is supplied to the bed 19 at the partially re-pressurizing stage.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、空気分離のための圧力
変化式吸着方法及び装置に関するものであり、特には空
気から酸素の回収のための単一床圧力変化式吸着システ
ムの使用に関係する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a pressure swing adsorption method and apparatus for air separation, and more particularly to the use of a single bed pressure swing adsorption system for the recovery of oxygen from air. To do.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧力変化式吸着(PSA、pressure swi
ng adsorption )プロセス及びシステムは、少なくとも
1種の容易に吸着しえない成分と少なくとも1種の容易
に吸着しうる成分とを含む供給気体混合物から少なくと
も1種の成分を分離しそして精製するための工業的に魅
力のある手段を提供する。吸着は吸着床内で上方吸着圧
力において起こり、そして吸着剤に吸着された容易に吸
着しうる成分はその後吸着床圧力を下方脱着圧力に下げ
ることにより吸着剤床から脱着される。吸着/脱着PS
Aプロセスは、周知でありそして例えば4以上の床を有
するPSAシステムと関係する米国特許第3,430,
418号に開示されている。この特許に開示されるよう
に、PSAプロセスは、4床以上の複数の床の周期的な
切替をベースとして、各床において、(1)床の供給端
に供給気体を導入しそして床の生成物放出端から生成物
気体として容易に吸着されない成分を放出する上方吸着
圧力での加圧吸着段階と、(2)床の生成物放出端から
の空隙気体の放出による中間圧力への、供給気体と同方
向流れでの減圧段階と、(3)床の供給端から容易に吸
着しうる成分の放出による、もっと低い下方脱着圧力へ
の、供給気体と反対方向流れでの減圧段階と、(4)そ
の下方脱着圧力での随意的なパージ(掃気)段階であっ
て、パージ気体を床の生成物放出端に通して吸着床から
脱着した容易に吸着しうる成分の床の供給端からの排出
を増進するパージ段階と、(5)サイクルが床に通され
る追加量の供給気体でもって繰り返されうるように下方
脱着圧力から上方吸着圧力への再加圧段階とを含むプロ
セス順序段階で実施される。供給気体と同方向流れでの
減圧段階中放出される空隙気体は一般に、多床システム
の床間の圧力均等化目的にそして下方脱着圧力において
床にパージ気体を提供するために使用される。こうした
プロセス順序段階の変更例もまた1つ以上の吸着床を含
むシステムにおいて使用のために当業界において使用さ
れている。
2. Description of the Related Art Pressure change adsorption (PSA, pressure swi
ng adsorption) process and system for separating and purifying at least one component from a feed gas mixture comprising at least one non-adsorbable component and at least one readily adsorbable component. Provide an industrially attractive means. Adsorption occurs at an upper adsorption pressure within the adsorbent bed, and the readily adsorbable components adsorbed to the adsorbent are then desorbed from the adsorbent bed by reducing the adsorbent bed pressure to the lower desorption pressure. Adsorption / desorption PS
The A process is well known and relates to, for example, PSA systems having four or more beds, U.S. Pat.
No. 418. As disclosed in this patent, the PSA process is based on the periodic switching of multiple beds of four or more beds, in each bed, (1) introducing a feed gas at the feed end of the bed and producing the bed. Feed gas to the pressure adsorption stage at the upper adsorption pressure to release components that are not easily adsorbed as product gas from the product discharge end, and (2) to intermediate pressure by the release of void gas from the product discharge end of the bed. (3) a decompression stage in the same direction as the flow, and (3) a decompression stage in the flow opposite to the feed gas to a lower downward desorption pressure by releasing components that can be easily adsorbed from the feed end of the bed, (4) ) An optional purge (scavenging) step at its lower desorption pressure, through which purge gas is passed through the product discharge end of the bed and exhausted from the feed end of the bed of readily adsorbable components desorbed from the bed. Purging phase to improve It is performed from the lower desorption pressure as may be repeated with an additional amount of feed gas being passed in process sequence steps that include the re-pressurization phase of upward adsorption pressure. The void gas released during the depressurization stage co-current with the feed gas is generally used for pressure equalization purposes between beds in a multi-bed system and to provide purge gas to the beds at lower desorption pressure. Variations on these process sequence steps are also used in the art for use in systems containing one or more adsorbent beds.

【0003】多数の化学的な精製プロセス、金属製造そ
の他の工業的用途において、高純度気体流れが様々の目
的のために多く使用されている。例えば、高純度酸素
は、化学処理、製鋼、製紙のような様々の産業において
また鉛及びガラス製造操業において使用されている。多
くのこうした用途は、3000m3 /時間以上に至るま
での流量における90〜93%範囲の酸素純度を必要と
する。PSAプロセスは、上述した様々のプロセス段階
の組み合わせによりまたその変更例により酸素及び窒素
を製造するための空気分離によく適合し、特に極低温空
気分離プラントが工業的に実施し得ないような比較的小
規模での操業において適合する。こうした空気中の容易
に吸着し得ない成分としての高純度酸素の回収を目的と
したPSAシステムにおいては、吸着床は空気中の容易
に吸着しうる成分としての窒素を選択的に吸着すること
のできる吸着剤材料を収納しており、この場合、窒素
は、周期的な吸着/脱着順序段階がPSAシステムにお
いて実施されるに際して床圧力の下方脱着圧力への減圧
に際して床から脱着されそして取り出される。
In many chemical refining processes, metal production and other industrial applications, high purity gas streams are often used for various purposes. For example, high purity oxygen is used in various industries such as chemical processing, steelmaking, papermaking, and in lead and glass manufacturing operations. Many such applications require oxygen purities in the 90-93% range at flow rates up to 3000 m 3 / hr and above. The PSA process is well suited for air separation for producing oxygen and nitrogen by virtue of a combination of the various process steps mentioned above and by variants thereof, especially in comparisons which a cryogenic air separation plant cannot carry out industrially. Suitable for small-scale operation. In a PSA system for the purpose of recovering high-purity oxygen as a component in the air that cannot be easily adsorbed, the adsorption bed selectively adsorbs nitrogen as an easily adsorbable component in the air. It contains a possible adsorbent material, where nitrogen is desorbed and withdrawn from the bed upon depressurization of the bed pressure to a lower desorption pressure as the cyclic adsorption / desorption sequence steps are carried out in the PSA system.

【0004】PSA−酸素回収その他のPSA処理用途
において、投資コストの低減とシステム信頼性の向上を
達成するために設備の設計、製作、輸送及び設備コスト
を最小限にすることが所望される。従って、吸着剤容
器、吸着剤貯蔵容器、関連タンク、弁、圧縮設備、プロ
セス管路その他の操業部品の数を最小限とするPSAシ
ステム並びにプロセスを使用することが所望される。P
SAシステムの操業と関連するコストは、生成する製品
の単位当りの動力が少なくてすむプロセスの使用により
最小限とされる。酸素製造のためのそうしたプロセス
は、供給空気からの酸素の高い回収率を示し、同時に関
連する圧縮設備において低圧縮比の使用を可能ならしめ
ることが望まれる。
In PSA-oxygen recovery and other PSA processing applications, it is desirable to minimize equipment design, fabrication, transportation and equipment costs in order to achieve reduced investment costs and increased system reliability. Therefore, it is desirable to use PSA systems and processes that minimize the number of adsorbent vessels, adsorbent storage vessels, associated tanks, valves, compression equipment, process lines and other operating components. P
The costs associated with operating an SA system are minimized by the use of processes that require less power per unit of product produced. It is desired that such processes for oxygen production exhibit a high recovery of oxygen from the feed air while at the same time allowing the use of low compression ratios in the associated compression equipment.

【0005】先に挙げた特許におけるように4床以上の
吸着剤床を含むPSAシステムは、特に高容積、高純度
及び高回収率性能を達成するための或る種の気体分離操
作に対して所望される。他の用途では、2乃至3床PS
Aシステムを使用することが可能でありまた所望され
る。例えば、様々の、実用的な工業PSA酸素製造用途
に対して2床PSAシステムを使用することが望ましい
ことが見出された。例えば、2床真空圧力変化式吸着
(VPSA:vacuum pressure swing adsorption)シス
テムが提唱された。分離されるべき導入気体混合物は通
常、所望の選択的吸着が行われる前に通常は数気圧の高
圧に圧縮される。生成する高圧製品、例えば供給空気の
選択吸着性の低い酸素は、下流での使用のためにパイプ
ラインに通される。代表的な2床PSA操作において
は、大気圧を前後しての遷移圧力条件が使用される。か
くして、サイクルの一部は、大気圧を超える圧力で実施
されそして一部は大気圧より低い圧力で実施される。分
離は1気圧に非常に近い圧力で行われ、そして製品はそ
の後所望の下流圧力に圧縮される。これは、必要な気体
の圧縮が基本的に導入供給気体流れ全量に対してではな
く、製品流れに対してのみであるから、コストを節減す
る操作態様であると考えられてきた。しかし、このPS
Aプロセスサイクルが加圧及び真空(減圧)両方の条件
と関与するから、2種の機械、即ち供給物加圧ブロワー
と減圧ブロワーがサイクルを実施するために必要とされ
る。こうした2床システムは20,000〜50,00
0NCFH(560〜1400m3 /時間:標準状態)
乃至それ以上の酸素製造規模範囲での酸素プラント設備
に対してはコストを節減しうる。しかし、この範囲より
低い流量要件を持つ用途に対しては、2床真空圧力変化
式吸着システムと関連しての投資コストはそうしたプロ
セスを採算に合わないものとする。
PSA systems containing more than three adsorbent beds, as in the patents cited above, are particularly useful for certain gas separation operations to achieve high volume, high purity and high recovery performance. Desired. For other applications, 2-3 bed PS
It is possible and desirable to use the A system. For example, it has been found desirable to use a two-bed PSA system for a variety of practical industrial PSA oxygen production applications. For example, a two-bed vacuum pressure swing adsorption (VPSA) system has been proposed. The inlet gas mixture to be separated is usually compressed to a high pressure, usually a few atmospheres, before the desired selective adsorption takes place. The resulting high pressure product, for example oxygen with a low selective adsorption of the feed air, is passed through a pipeline for downstream use. In a typical two-bed PSA operation, transition pressure conditions around atmospheric pressure are used. Thus, part of the cycle is carried out above atmospheric pressure and part is carried out below atmospheric pressure. Separation is done at pressures very close to 1 atmosphere and the product is then compressed to the desired downstream pressure. This has been considered to be a cost-saving mode of operation since the required gas compression is essentially only on the product stream, not on the total incoming feed gas stream. But this PS
Since the A process cycle involves both pressure and vacuum (vacuum) conditions, two machines are required to perform the cycle: a feed pressure blower and a vacuum blower. Such a two-bed system is 20,000 to 50,000
0 NCFH (560 to 1400 m 3 / hour: standard condition)
Cost savings can be achieved for oxygen plant equipment in the range of oxygen production scales up to and above. However, for applications with flow requirements below this range, the investment costs associated with a two-bed vacuum pressure swing adsorption system make such a process unprofitable.

【0006】VPSAシステムの単一床、単一機械(ブ
ロワー)具体例が、VPSAシステムを一層低流量用途
に対して適合ならしめるように斯界で提唱された。VP
SA−酸素プラントと関連する投資コストの大部分は、
空気ブロワー、プロセス容器及びこれら容器において使
用される吸着剤と関係するから、圧力を大気圧前後へ変
化する繊維操作であれ、真空条件が使用されないシステ
ムに対してであれ、投資コストはシステムに含まれるブ
ロワーの数及び吸着剤容器の数を半分に節減することに
より著しく節減しうることが理解されよう。
A single bed, single machine (blower) embodiment of the VPSA system has been proposed in the art to make the VPSA system suitable for lower flow applications. VP
Most of the investment costs associated with SA-oxygen plants are
Investment costs are included in the system, whether it is for fiber operations that change pressure to around atmospheric pressure, or for systems where vacuum conditions are not used, as it relates to air blowers, process vessels and adsorbents used in these vessels. It will be appreciated that significant savings can be achieved by cutting the number of blowers and the number of adsorbent vessels contained in half.

【0007】単一床PSAシステムが米国特許第4,5
61,865号に記載された。この方法においては、吸
着床の上部からの放出管路における圧力制御弁は単一処
理容器の上部における圧力が或る水準にあるとき開く。
気体は、放出管路において外部均等圧化タンクに直接通
される。この特許の具体例において、逆止弁を含む圧力
制御弁の出口に放出管路から外れてバイパス管路が存在
し、該管路は生成物サージタンクに繋がっている。生成
物サージタンク内の圧力が均等化タンク内の圧力に等し
いとき、逆止弁が開き、生成物気体は均等化タンクと生
成物サージタンクへと同時に供給される。逆止弁が、床
圧力が生成物サージタンクの圧力より落ちるとき、生成
物サージタンクから吸着床への戻り流れを阻止する。こ
の配列構成において、均等化タンクは生成物サージタン
クの延長体として機能する。なぜなら、両タンクは同じ
最大圧力まで加圧しそして同じ純度の気体を収納してい
るからである。この特許はまた、吸着容器を真空排気に
先立って部分的に減圧するためのブローダウン段階の使
用を教示する。
A single bed PSA system is disclosed in US Pat.
61,865. In this method, the pressure control valve in the discharge line from the top of the adsorption bed opens when the pressure in the top of the single process vessel is at a certain level.
The gas is passed directly to the external equalization tank in the discharge line. In the embodiment of this patent, there is a bypass line at the outlet of the pressure control valve, including the check valve, separate from the discharge line and connected to the product surge tank. When the pressure in the product surge tank equals the pressure in the equalization tank, the check valve opens and product gas is simultaneously supplied to the equalization tank and the product surge tank. A check valve blocks the return flow from the product surge tank to the adsorbent bed when the bed pressure falls below that of the product surge tank. In this arrangement, the equalization tank acts as an extension of the product surge tank. This is because both tanks are pressurized to the same maximum pressure and contain the same purity of gas. This patent also teaches the use of a blowdown stage to partially depressurize the adsorption vessel prior to evacuation.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】この特許は、単一床P
SAシステムへの斯界での必要性に対応せんとするもの
であるが、こうした単一床操作が低流量用途に対して斯
界の必要性を満足させることができるには追加的な改善
を必要とする。特には、上記特許の方式及び他のそうし
た単一床PSAシステムで得られる生成物流量に比較し
て一層高い生成物流量が所望される。本発明の課題は、
低容積用途に対して空気から酸素の回収のための改善さ
れた低容積PSA方法及び装置を開発することである。
本発明のまた別の課題は、空気から酸素の低容積回収の
ための改善された単一床PSA方法及び装置を開発する
ことである。本発明のまた別の課題は、空気から回収し
た生成物酸素の流量増大のための単一床、低容積PSA
方法及び装置を開発することである。
This patent describes a single bed P
While addressing the need in the field for SA systems, such single bed operations require additional improvements before they can meet the need for low flow applications. To do. In particular, a higher product flow rate is desired as compared to the product flow rates obtained with the system of the above patent and other such single bed PSA systems. The object of the present invention is to
It is to develop an improved low volume PSA method and apparatus for oxygen recovery from air for low volume applications.
Yet another object of the present invention is to develop an improved single bed PSA process and apparatus for low volume recovery of oxygen from air. Yet another object of the present invention is a single bed, low volume PSA for increasing the flow rate of product oxygen recovered from air.
To develop a method and apparatus.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、生成物酸素を
供給しそして吸着剤床にパージ気体を供給する手段とし
ての生成物サージタンクと、床再加圧目的で床に空隙気
体を供する役目をなす均等化タンクをうまく利用するこ
とにより、課題を解決する。本発明は、(a)供給空気
を空気中の容易に吸着しうる成分としての窒素を選択的
に吸着することのできる吸着剤材料の単一床の供給端に
通し、該床内の圧力を中間圧力から上方吸着圧力まで増
大し、空気中の容易に吸着しえない成分としての酸素を
該床の生成物端から前記上方吸着圧力に近い圧力におけ
る生成物サージタンクに通す段階と、(b)前記床の生
成物端から空隙気体の放出により該床を中間圧力まで供
給空気流れと同方向流れで減圧し、該空隙気体を均等化
タンクに通す段階と、(c)前記床供給端からの追加量
の気体の放出により床を中間圧力から下方脱着圧力まで
供給空気流れと反対方向流れで減圧する段階と、(d)
前記生成物サージタンクから生成物気体の側流を前記床
の生成物端にパージ気体として通し、脱着された窒素を
前記下方脱着圧力において床の空隙から排斥し、該排斥
した脱着窒素を該床の供給端から放出する段階と、
(e)前記均等化タンクからの空隙気体を前記床の生成
物端に導入して、該床内の圧力を前記下方脱着圧力から
前記中間圧力まで増大する段階と、(f)追加量の供給
空気を前記単一床の供給端に通し、前記段階(a)〜
(e)の周期的な操作を継続する段階とを包含し、それ
により生成物酸素を増大した生成物流量において空気か
ら回収し、吸着剤材料の単一床の吸着能を向上したこと
を特徴とする空気から酸素の回収のための圧力変化式吸
着方法を提供する。本発明はまた、(a)空気中の容易
に吸着しうる成分としての窒素を選択的に吸着すること
のできる吸着剤材料の単一床と、(b)前記床の生成物
端から放出された空隙気体の保持のための均等化タンク
と、(c)前記床の生成物端から放出された生成物酸素
の保持のための生成物サージタンクと、(d)空隙気体
の均等化タンクへのそして生成物酸素の生成物サージタ
ンクへの通流のための導管手段と、(e)空隙気体の均
等化タンクへの流れ及び生成物酸素の生成物サージタン
クへの流れ並びに空隙気体の均等化タンクから該床生成
物端への流れ及び生成物酸素の側流の生成物サージタン
クから該床生成物端への流れを制御するための制御手段
と、(f)空気を床の供給端に通すための供給物ブロワ
ー手段と、(g)前記床の供給端から空隙気体及び窒素
を放出するための導管手段とを含み、それにより生成物
酸素を圧力変化式吸着装置において増大した生成物流量
において回収することができ、吸着剤材料の単一床の吸
着能を向上したことを特徴とする空気から酸素の回収の
ための圧力変化式吸着装置をも提供する。
The present invention provides a product surge tank as a means of supplying product oxygen and a purge gas to the adsorbent bed, and a void gas to the bed for bed repressurization purposes. The problem is solved by making good use of the functioning equalizing tank. The present invention comprises: (a) passing feed air through the feed end of a single bed of adsorbent material capable of selectively adsorbing nitrogen as an easily adsorbable component of the air, and controlling the pressure within the bed. Increasing from an intermediate pressure to an upper adsorption pressure and passing oxygen as a non-adsorbable component of the air from the product end of the bed through a product surge tank at a pressure close to said upper adsorption pressure; ) Depressurizing the bed to an intermediate pressure in the same direction as the feed air flow by releasing void gas from the product end of the bed and passing the void gas through an equalization tank; (c) from the bed feed end. Depressurizing the bed from an intermediate pressure to a lower desorption pressure in the opposite direction of the feed air flow by releasing an additional amount of gas of (d)
A sidestream of the product gas from the product surge tank is passed as a purge gas to the product end of the bed to purge desorbed nitrogen from the voids in the bed at the lower desorption pressure and to remove the desorbed nitrogen from the bed. Discharging from the supply end of
(E) introducing void gas from the equalization tank to the product end of the bed to increase the pressure in the bed from the lower desorption pressure to the intermediate pressure; and (f) supplying an additional amount. Air is passed through the feed end of the single bed and the steps (a)-
(E) continuing the cyclical operation, whereby product oxygen is recovered from air at an increased product flow rate to improve the adsorption capacity of a single bed of adsorbent material. Provided is a pressure change adsorption method for recovering oxygen from air. The invention also relates to (a) a single bed of an adsorbent material capable of selectively adsorbing nitrogen as a readily adsorbable component of air, and (b) a product end of said bed which is discharged. To an equalization tank for holding a void gas, (c) a product surge tank for holding a product oxygen released from the product end of the bed, and (d) an equalizing tank for a void gas. And (e) a flow of void gas to the equalization tank and a flow of product oxygen to the product surge tank and a void gas equalization. Control means for controlling the flow from the liquefaction tank to the bed product end and the side flow of product oxygen from the product surge tank to the bed product end, and (f) air feed end of the bed. Feed blower means for passing through (g) from the feed end of the bed Conduit means for releasing interstitial gas and nitrogen, whereby product oxygen can be recovered at an increased product flow rate in a pressure swing adsorption device, and the adsorption capacity of a single bed of adsorbent material can be increased. There is also provided a pressure change adsorption device for the recovery of oxygen from air, which is characterized by an improvement.

【0010】[0010]

【作用】本発明の課題は、単一プロセス機械、即ち処理
サイクル中単一吸着床を加圧しまた減圧するための圧縮
器を組み込む単一吸着床PSA乃至VPSAシステムを
使用して達成される。従来型式の生成物サージタンク
が、システムの生成物回収率及び動力所要量を改善する
ように働く均等化タンクと共に使用される。すなわち、
本発明は、2つの外部サージタンクを利用する単一床P
SA乃至VPSA方法及び装置を使用する。サージタン
クの一方は、所望の生成物酸素を供給しそしてまたPS
A乃至VPSA処理サイクルの排気段階中吸着床に生成
物酸素をパージ気体として供給する。第2のサージタン
クは、均等化タンクとして機能し、そして減圧段階中床
から抜き出された空隙気体を収集しそして吸着床の再加
圧段階中吸着床にその空隙気体を床に供給するのに使用
される。本発明の実施により、米国特許第4,561,
865号に代表される先行技術の単一床PSAシステム
に比較して性能における著しい改善が達成される。
The objects of the present invention are accomplished using a single process machine, a single bed PSA to VPSA system which incorporates a compressor for pressurizing and depressurizing a single bed during a processing cycle. Conventional product surge tanks are used with equalization tanks that serve to improve the product recovery and power requirements of the system. That is,
The present invention utilizes a single floor P that utilizes two external surge tanks.
The SA to VPSA method and apparatus is used. One of the surge tanks supplies the desired product oxygen and also PS
Product oxygen is supplied as a purge gas to the adsorbent bed during the exhaust phase of the A-VPSA treatment cycle. The second surge tank functions as an equalization tank and collects the void gas withdrawn from the bed during the depressurization stage and feeds the void gas to the bed during the repressurization stage of the adsorbent bed. Used for. In practicing the invention, US Pat. No. 4,561,
A significant improvement in performance is achieved over prior art single bed PSA systems represented by No. 865.

【0011】[0011]

【実施例】図1を参照すると、管路1は、供給空気を供
給ブロワー/真空ブロワー兼用ブロワーユニット2に供
給するのに使用され、ダストフィルター−気体消音器ユ
ニット3及び弁4を組み込んでいる。ユニット2からの
管路5は管路6及び7に接続している。管路6は弁8及
び出口スナバー(緩衝タンク)ユニット9を含み、そこ
から気体は管路10を通して放出される。管路7は、出
口スナバー(緩衝タンク)ユニット11、供給気体冷却
のためのアフタークーラー(後段冷却器)12及び弁1
3を組み込んでいる。弁15を組み込んだ放出管路14
が、管路7に接続されている。弁17を組み込む管路1
6が管路1に弁4の下流で接続されている。管路7及び
16は共に、適当な吸着容器内の単一吸着床19の底部
に通じている。吸着床19の頂部から、管路20が伸延
し、弁22を有しそして均等化タンク23に通じる管路
21に通じるとともに、逆止弁25を有しそして生成物
サージタンク26に通じる管路24とも通じている。生
成物酸素は、生成物サージタンク26から管路27を通
して下流での操業におけるその所望の使用にために抜き
出される。管路20はまた、弁29を有しそして前記サ
ージタンク26へと伸びる管路28と通じている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Referring to FIG. 1, a line 1 is used to supply feed air to a combined blower / vacuum blower blower unit 2 and incorporates a dust filter-gas silencer unit 3 and a valve 4. . Line 5 from unit 2 is connected to lines 6 and 7. Line 6 includes a valve 8 and an outlet snubber (buffer tank) unit 9 from which gas is discharged through line 10. The pipe line 7 includes an outlet snubber (buffer tank) unit 11, an after cooler (second stage cooler) 12 for cooling the supply gas, and a valve 1.
3 is incorporated. Discharge line 14 incorporating valve 15
Is connected to the pipeline 7. Line 1 incorporating valve 17
6 is connected to line 1 downstream of valve 4. Both lines 7 and 16 lead to the bottom of a single adsorption bed 19 in a suitable adsorption vessel. From the top of the adsorbent bed 19, a line 20 extends and leads to a line 21 having a valve 22 and leading to an equalization tank 23, and a check valve 25 and leading to a product surge tank 26. 24 is also known. Product oxygen is withdrawn from product surge tank 26 via line 27 for its desired use in downstream operations. Line 20 also has a valve 29 and communicates with line 28 which extends to the surge tank 26.

【0012】図面に例示したシステムを使用するPSA
プロセスの操作において、5段階プロセス操作サイクル
が望ましくは使用される。そうしたサイクルは次のプロ
セス順序段階を含む:(1)加圧/生成物回収、(2)
部分減圧、(3)真空排気、(4)パージ並びに(5)
部分再加圧。
PSA using the system illustrated in the drawings
In operating the process, a five stage process operating cycle is preferably used. Such a cycle includes the following process sequence steps: (1) pressurization / product recovery, (2).
Partial decompression, (3) vacuum exhaust, (4) purge and (5)
Partial repressurization.

【0013】上記プロセス順序段階の操作において、第
1段階は、吸着床19が約10psia(0.7kg/c
m2)の中間圧力まで部分的に加圧された直後始まる。供
給空気は、弁4及び13を開き、弁8、15、17、2
2及び29を閉じた状態で、フィードブロワー2から供
給される。逆止弁25が吸着床19内の圧力が生成物サ
ージタンク26内の圧力を超えるようになるとき開くよ
うに設定されている。
In operation of the above process sequence steps, the first step is for the adsorbent bed 19 to have a pressure of about 10 psia (0.7 kg / c).
It begins shortly after being partially pressurized to an intermediate pressure of m 2 ). Supply air opens valves 4 and 13 and opens valves 8, 15, 17, 2
It is supplied from the feed blower 2 with 2 and 29 closed. The check valve 25 is set to open when the pressure in the adsorption bed 19 exceeds the pressure in the product surge tank 26.

【0014】供給空気が吸着剤床19を納める容器内に
導入されるにつれ、容器内の圧力は増大し、やがてはそ
の圧力が代表的には18psia(1.26kg/cm2絶対
圧)における生成物サージタンク26内の圧力に等しい
点に達する。そこで、逆止弁25が開き、生成物気体、
即ち酸素を生成物サージタンク26に供給する。生成物
サージタンク26の寸法は、所望の生成物流れ及び出口
管路27の圧力とともに変更されるが、吸着剤床19か
らの生成物気体の流れを大きな圧力の変動なく、例えば
4〜5psi(0.28〜0.35kg/cm2)以内で収容
するに充分大きくなければならない。生成物サージタン
ク26はまた、パージ段階中、管路27における生成物
流れの中断なく、そこから吸着剤床19への戻しての同
時的なパージ流れを可能とすることができねばならな
い。この生成物の供給は、吸着剤床ための容器の頂部に
おける圧力が上方吸着圧力、代表的に22.5psia
(1.58kg/cm2)に達するまで続行される。この点
で、プロセスサイクルはその第2段階へと進む。別法と
して、圧力制御弁が逆止弁に置き換えられ、そしてサイ
クル段階の生成物製造部分中一定の容器圧力を維持する
ような態様で操作されて、プロセスを一層改善する。
As the feed air is introduced into the vessel containing the adsorbent bed 19, the pressure in the vessel increases, eventually generating at 18 psia (1.26 kg / cm 2 absolute pressure). A point equal to the pressure in the surge tank 26 is reached. Therefore, the check valve 25 is opened, and the product gas,
That is, oxygen is supplied to the product surge tank 26. The size of the product surge tank 26 will vary with the desired product flow and pressure in the outlet line 27, but will allow the product gas flow from the adsorbent bed 19 without significant pressure fluctuations, for example 4-5 psi ( 0.28~0.35kg / cm 2) must be sufficiently large to accommodate within. The product surge tank 26 must also be able to allow a simultaneous purge flow from there back to the adsorbent bed 19 without interruption of product flow in line 27 during the purge phase. The product feed is such that the pressure at the top of the vessel for the adsorbent bed is above the adsorption pressure, typically 22.5 psia.
Continue until reaching (1.58kg / cm 2 ). At this point, the process cycle proceeds to its second stage. Alternatively, the pressure control valve is replaced by a check valve and operated in such a manner as to maintain a constant vessel pressure during the product manufacturing portion of the cycle stage to further improve the process.

【0015】プロセス順序段階の残りの段階中、生成物
サージタンク26は吸着剤床19のための容器或いはそ
れと関連する他のプロセス設備と独立して生成物酸素を
下流での使用のために供給することを銘記すべきであ
る。プロセスにおける第1段階の代表的な段階時間は1
8〜25秒である。供給空気の温度は周囲温度に相当し
ようが、しかし、一般には吸着剤床19への供給気体は
周囲温度より30〜40F(20〜22℃)高く、そし
て吸着剤容器内の温度分布は容器内の吸着剤水準の底部
において周囲温度より約10〜20°F(5.5〜11
℃)低く、吸着剤床の中間でほぼ周囲温度もしくは周囲
温度より10°F(5.5℃)まで高く、そして吸着剤
床の頂部で約30〜40°F(20〜22℃)高い。こ
れら温度はプロセス順序段階全体を通して僅かに変動し
よう。使用される供給空気流量は、所望の生成物流量に
直接関係する。90%生成物純度において50%酸素回
収のためには、供給空気流量は一般に対応する酸素生成
物流量の約9.5倍多い。
During the remaining stages of the process sequence, product surge tank 26 supplies product oxygen for downstream use independent of the vessel for adsorbent bed 19 or other process equipment associated therewith. You should bear in mind what to do. Typical stage time for the first stage in the process is 1
8 to 25 seconds. The temperature of the feed air may correspond to the ambient temperature, but generally the feed gas to the adsorbent bed 19 is 30-40F (20-22 ° C) above ambient temperature and the temperature distribution within the adsorbent vessel is within the vessel. At the bottom of the adsorbent level of about 10 to 20 ° F (5.5 to 11 ° F) above ambient temperature.
C.), about ambient temperature or up to 10 ° F. (5.5 ° C.) above ambient temperature in the middle of the adsorbent bed, and about 30-40 ° F. (20-22 ° C.) above the top of the adsorbent bed. These temperatures will vary slightly throughout the process sequence steps. The feed air flow rate used is directly related to the desired product flow rate. For 50% oxygen recovery at 90% product purity, the feed air flow rate is generally about 9.5 times greater than the corresponding oxygen product flow rate.

【0016】プロセス順序段階の第2段階、即ち部分減
圧が始まると、弁13が閉じられそして弁15が開かれ
る。これは、供給ブロワー2を無負荷ならしめる、即ち
大気から空気を吸入しそしてそれを大気に戻して排気せ
しめる。弁22が開き、そして吸着剤床19はプロセス
順序段階の第1段階で達した上方吸着圧力から減圧され
始める。空隙気体が、吸着剤床19の空隙から排斥され
そして管路21を通して均等化タンク23に通される。
このタンク23の寸法は、所望の設備規模即ち生成物流
量に応じて変えられるが、吸着剤容器からの空隙気体を
約14.5〜15psia(1.02〜1.05kg/c
m2)の圧力において保持するに充分大きくなければなら
ない。このタンク内の酸素の濃度は代表的に85〜89
%酸素である。逆止弁25は、吸着剤床19の圧力が生
成物サージタンク26の圧力以下に落ちているから閉じ
られる。このプロセス段階中、弁8、17及び29は閉
じたままに維持され、これは吸着剤床容器圧力が中間圧
力、例えば16psia(1.12kg/cm2)に低下する
まで継続され、均等化タンク23内の圧力は14.5〜
15psia(1.02〜1.05kg/cm2)の圧力に増
大していく。この第2の部分減圧段階に対するおおよそ
のサイクル段階時間は約4〜7秒である。この後、プロ
セス順序段階は第3段階に進む。第2段階中の吸着剤床
19の容器の温度は第1段階において先に言及したのと
同様である。
At the beginning of the second stage of the process sequence, partial decompression, valve 13 is closed and valve 15 is opened. This causes the supply blower 2 to be unloaded, i.e. sucking air from the atmosphere and returning it to the atmosphere and exhausting it. The valve 22 opens and the adsorbent bed 19 begins to depressurize from the upper adsorption pressure reached in the first stage of the process sequence. Void gas is rejected from the voids in adsorbent bed 19 and passed through line 21 to equalization tank 23.
The dimensions of this tank 23 can be varied depending on the desired equipment scale, ie product flow rate, but the void gas from the adsorbent vessel is approximately 14.5 to 15 psia (1.02 to 1.05 kg / c).
It must be large enough to hold at a pressure of m 2 ). The concentration of oxygen in this tank is typically 85-89.
% Oxygen. The check valve 25 is closed because the pressure in the adsorbent bed 19 has dropped below the pressure in the product surge tank 26. During this process step, valves 8, 17 and 29 were kept closed, which was continued until the adsorbent bed vessel pressure had dropped to an intermediate pressure, eg 16 psia (1.12 kg / cm 2 ), the equalization tank. The pressure in 23 is 14.5 ~
The pressure is increased to 15 psia (1.02 to 1.05 kg / cm 2 ). The approximate cycle stage time for this second partial decompression stage is about 4-7 seconds. After this, the process sequence step proceeds to the third step. The temperature of the adsorbent bed 19 vessel during the second stage is similar to that previously mentioned in the first stage.

【0017】吸着剤床19の容器が空隙気体の一部を均
等化タンク23内に追い出しそして吸着剤床19の容器
の圧力が約16psia(1.12kg/cm2)の中間圧力
に低下した後、プロセスサイクルはプロセス順序段階の
第3段階、即ち容器真空排気段階に進む。第3段階の目
的のために、弁8及び17が開かれそして弁4、15、
13、22及び29並びに逆止弁25が閉じられる。そ
の結果、吸着剤床19の容器内の気体は、吸着剤床19
の底部を通してこれまでとは逆方向に転流されそして管
路16における弁17を通してブロワー2の入口に流れ
る。この空隙気体は、出口消音器9を通して大気に放出
される。この配管及び弁配列構成は、ブロワー2が吸着
剤床19の容器を大気圧未満の圧力に排気することを可
能ならしめる。このプロセスサイクルの排気段階中全体
にわたり平均化された排気気体のおおよその組成は、9
0%窒素及び10%酸素である。ブロワーが排気用途で
使用されるとき、ブロワーとの組合せ性能を向上するた
めに、ブロワー2のローブにおける間隙を密閉するため
にブロワーの入口においてシール水が噴射されうる。こ
の水シール手段は、ブロワーが排気用途で一層良好に作
動することを可能ならしめる。容器が大気圧未満に排気
されると吸着剤の空隙内の窒素気体の分圧の差異により
吸着剤の表面からの脱着が起こり、それにより吸着剤を
再生し、下流での使用のための生成物酸素の半連続的な
流れを与えるべく追加量の供給空気から窒素の再吸着の
ための状態に吸着剤を置く。この容器排気段階は、容器
内の圧力が真空脱着圧力、例えば約5psia(0.3
5kg/cm2)のような所望の低い脱着圧力に達するまで行
われる。このサイクル段階のための段階時間は約30〜
40秒である。プロセスサイクルは次いでプロセス順序
段階の第4段階に進行する。
After the adsorbent bed 19 vessel has expelled some of the void gas into the equalization tank 23 and the adsorbent bed 19 vessel pressure has dropped to an intermediate pressure of about 16 psia (1.12 kg / cm 2 ). The process cycle proceeds to the third stage of the process sequence stage, namely the container evacuation stage. For the purpose of the third stage, valves 8 and 17 are opened and valves 4, 15,
13, 22 and 29 and the check valve 25 are closed. As a result, the gas in the container of the adsorbent bed 19 is
Is diverted in the opposite direction through the bottom of the tank and flows through the valve 17 in line 16 to the inlet of the blower 2. This void gas is released to the atmosphere through the outlet silencer 9. This piping and valve arrangement allows the blower 2 to evacuate the vessel of the adsorbent bed 19 to a pressure below atmospheric pressure. The approximate composition of the exhaust gas averaged throughout the exhaust phase of this process cycle is 9
0% nitrogen and 10% oxygen. When the blower is used in exhaust applications, sealing water may be injected at the inlet of the blower to seal the gap in the lobes of the blower 2 in order to improve the combined performance with the blower. This water sealing means allows the blower to perform better in exhaust applications. When the vessel is evacuated to below atmospheric pressure, desorption from the surface of the adsorbent occurs due to the difference in the partial pressure of the nitrogen gas within the adsorbent's voids, thereby regenerating the adsorbent and producing it for downstream use. Place the adsorbent in a condition for re-adsorption of nitrogen from an additional amount of feed air to provide a semi-continuous flow of oxygen. In this container evacuation stage, the pressure inside the container is vacuum desorption pressure, for example, about 5 psia (0.3
Until a desired low desorption pressure, such as 5 kg / cm 2 ) is reached. The stage time for this cycle stage is about 30-
40 seconds. The process cycle then proceeds to the fourth of the process sequence steps.

【0018】第4プロセス段階は、下方脱着圧力での容
器パージ(掃気)段階である。この目的のために、弁2
9が開かれ、そして生成物サージタンク26からの少量
の生成物気体側流が単一吸着床19の容器の頂部に転流
される。この流れは、90〜93%の酸素濃度を有しそ
してこの時点では主として脱着窒素から構成される容器
内残存空隙気体の大部分を吹掃するのに使用される。パ
ージ気体流れは容器内の空隙に存在する脱着気体に置き
換わり、そしてパージ流れは高い窒素濃度を有していな
いから、容器内の圧力が高くなり始めても空隙気体は吸
着剤表面に再吸着されない。これは吸着剤は酸素に対し
て選択的な親和性を持っていないからである。この容器
パージ段階は、一定の真空において或いは容器内の別の
脱着圧力水準において起こり、弁8及び17は開かれた
ままであり、制御弁29は開かれそして他の弁はすべて
閉じられている。容器内の吸着剤床の空隙内の脱着気体
のほとんどが生成物気体で置換されたとき、プロセス順
序段階は第5プロセス段階である部分再加圧段階に進
む。第4の容器パージ段階のための平均時間は約7〜1
0秒である。この容器排気段階に対して真空水準を実質
上一定の保持するためには、容器から出現する脱着気体
に対する流量は、例えば5psia(0.35kg/cm2
において、排気流量にほぼ等しくされる。
The fourth process stage is a vessel purge (scavenging) stage at a lower desorption pressure. For this purpose valve 2
9 is opened and a small amount of product gas sidestream from the product surge tank 26 is diverted to the top of the vessel in the single adsorption bed 19. This stream has an oxygen concentration of 90-93% and at this point is used to scavenge a majority of the residual void gas in the vessel, which is mainly composed of desorbed nitrogen. The purge gas stream replaces the desorbed gas present in the voids in the vessel, and since the purge stream does not have a high nitrogen concentration, the void gases are not re-adsorbed on the adsorbent surface as the pressure in the vessel begins to increase. This is because the adsorbent does not have a selective affinity for oxygen. This vessel purging phase occurs at a constant vacuum or at another desorption pressure level in the vessel, valves 8 and 17 remain open, control valve 29 is open and all other valves are closed. When most of the desorbed gas in the adsorbent bed voids in the vessel has been replaced by product gas, the process sequence step proceeds to the fifth process step, the partial repressurization step. The average time for the fourth vessel purge stage is about 7-1.
0 seconds. In order to maintain the vacuum level substantially constant for this vessel evacuation stage, the flow rate for the desorbed gas emerging from the vessel is, for example, 5 psia (0.35 kg / cm 2 ).
At, the exhaust flow rate is made approximately equal to.

【0019】プロセス順序段階の第5段階は部分再加圧
段階であり、ここでは弁8、17及び29が閉じられそ
して弁5及び15が開かれて、ブロワー2を無負荷状態
で作動せしめる。制御弁22が設定弁位置まで開かれ
る。第2段階、即ち部分減圧段階中均等化タンク23内
に収集された空隙気体が吸着剤床19の容器をこの部分
再加圧段階中例えば10psia(0.7kg/cm2)の中
間圧力水準まで再加圧するのに使用される。均等化タン
ク23内の圧力が代表的なVPSA用途において約15
psia(1.05kg/cm2)から9.5psia(0.
67kg/cm2)へと低下する。この段階に要する時間は部
分減圧段階に要する段階時間と実質上同じであり、例え
ば4〜7秒である。ひとたび容器がこの中間圧力水準ま
で再加圧されると、プロセス順序段階は完了する。サイ
クルは、第1段階に進み、プロセス順序段階が、本PS
A乃至VPSAプロセスの連続操作が追加量の供給空気
でもって続行されるに際して繰り返される。
The fifth of the process sequence steps is the partial repressurization step, in which valves 8, 17 and 29 are closed and valves 5 and 15 are opened to operate blower 2 under no load. The control valve 22 is opened to the set valve position. During the second stage, the partial depressurization stage, the void gas collected in the equalization tank 23 causes the vessel of the adsorbent bed 19 to reach an intermediate pressure level of, for example, 10 psia (0.7 kg / cm 2 ) during this partial repressurization stage. Used to repressurize. The pressure in the equalization tank 23 is about 15 in a typical VPSA application.
psia (1.05 kg / cm 2 ) to 9.5 psia (0.
67 kg / cm 2 ). The time required for this step is substantially the same as the step time required for the partial depressurization step, and is, for example, 4 to 7 seconds. Once the container is repressurized to this intermediate pressure level, the process sequence steps are complete. The cycle proceeds to the first stage, where the process sequence stage is
The continuous operation of the A to VPSA process is repeated as continued with additional feed air.

【0020】本発明の特定の具体例のプロセス順序段階
の5段階の終わりにおける吸着床19、生成物サージタ
ンク26及び均等化タンク23におけるおおよその圧力
水準を次の表1に示す。
The approximate pressure levels in the adsorbent bed 19, the product surge tank 26 and the equalization tank 23 at the end of step 5 of the process sequence steps of certain embodiments of the present invention are shown in Table 1 below.

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】特にVPSAプロセス操作において、再加
圧気体のための別個の気体均等化タンクの使用により、
生成物回収は改善されそして動力所要量は低減する。吸
着剤床容器がその上方吸着圧力にあるときそして容器の
部分減圧が開始されるとき、吸着剤床から追い出された
気体は均等化タンク内に収集される。収集された気体は
空隙気体であり、これは吸着剤粒子間の隙間から生じる
容器内の吸着剤隙間のいずれかに収蔵される任意の気体
並びに床圧力が減少されるとき吸着剤の表面から脱着し
た窒素気体である。均等化タンク内の空隙気体の純度
は、均等化タンク内に収集された気体の一部が脱着され
た窒素であるから、空隙気体は高い窒素濃度を有するた
めに、生成物サージタンクにおける純度とは異なってい
る。一般に、均等化タンク内の酸素純度は約85〜89
%であり、これは生成物サージタンクにおける生成物気
体の代表的な90〜93%酸素というもっと高い純度と
対照的である。吸着剤床容器が排気され終りそして大気
圧未満の圧力水準にあるとき、容器はこの均等化タンク
つまり保持タンクからの空隙気体でもって約10psi
a(0.7kg/cm2)の圧力まで部分的に再加圧される。
先行技術の方式におけるように空隙気体を大気圧までブ
ローダウンするのではなく、部分減圧段階からの空隙気
体を再循環することにより、システムに供給された酸素
分子の一層多くを回収することができ、生成物回収率を
改善する。この生成物回収率の増加は、同じ入口気体流
量で生成物酸素の流量が増大することを意味する。この
生成物流量の増大はPSAシステムに対する単位動力消
費量の低減をもたらす。PSAに特にVPSAへの均等
化タンクの組み込みはこうして、均等化タンクの比較的
安いコストにおいて生成物回収率を改善しそして単位動
力を節減する役目をなし、2つの重要な利益を提供す
る。
The use of a separate gas equalization tank for the repressurized gas, especially in VPSA process operations,
Product recovery is improved and power requirements are reduced. The gas expelled from the adsorbent bed is collected in the equalization tank when the adsorbent bed vessel is at its upper adsorption pressure and when partial vessel depressurization is initiated. The collected gas is a void gas, which is any gas stored in any of the adsorbent gaps in the vessel resulting from the gaps between the adsorbent particles and desorbed from the adsorbent surface when the bed pressure is reduced. It is nitrogen gas. The purity of the void gas in the equalization tank is nitrogen desorbed from a portion of the gas collected in the equalization tank, so the void gas has a high nitrogen concentration, and therefore the purity in the product surge tank is Are different. Generally, the oxygen purity in the equalization tank is about 85-89.
%, Which is in contrast to the higher purity of 90-93% oxygen typical of the product gas in the product surge tank. When the adsorbent bed vessel is exhausted and at a pressure level below atmospheric pressure, the vessel is approximately 10 psi with void gas from this equalization or holding tank.
Partially repressurized to a pressure of a (0.7 kg / cm 2 ).
By recirculating the void gas from the partial depressurization stage, rather than blowing it down to atmospheric pressure as in prior art schemes, more of the oxygen molecules fed to the system can be recovered. , Improve product recovery. This increase in product recovery means that the product oxygen flow rate increases for the same inlet gas flow rate. This increase in product flow rate results in reduced unit power consumption for the PSA system. The incorporation of the equalization tank into the PSA, and in particular into the VPSA, thus serves to improve product recovery and save unit power at the relatively low cost of the equalization tank, providing two important benefits.

【0023】本発明のまた別の有益な特徴は、排気段階
中パージ気体として生成物タンクからの生成物酸素の使
用にある。吸着剤床容器が例えば部分真空(subatmosph
eric)の条件に曝露されているとき、吸着剤の表面に吸
着されていた窒素気体は分圧差により脱着する。脱着し
た窒素は、容器内に吸着剤粒子間の空隙に残存してい
る。そうした脱着した窒素の大部分を吸着剤床容器から
除去することが所望される。これは、容器内の圧力が増
大し始めるとすぐ、部分加圧が容器内の残存する窒素気
体を推進して吸着剤の表面に戻して吸着せしめ、吸着剤
が決して充分に再生されないからである。生成物サージ
タンクから90〜93%純度の酸素を含むパージ気体流
れを導入することにより、容器内に残存する窒素気体は
洗い流されそして生成物酸素気体と置換される。床がそ
の後再加圧されるとき、空隙気体は主に酸素からなり、
これは容器内の圧力が上昇し始めるとき吸着されず、吸
着剤表面を次の供給物供給段階に備えて充分に再生され
た状態に保持せしめる。一般に、パージ気体の酸素純度
が高いほど、パージ段階は一層有効となる。その理由
は、容器内の残る窒素気体が多いほど、部分再加圧段階
中一層多くの気体が吸着剤に再吸着され、吸着剤表面の
再生の有効性を低下せしめるからである。容器内に導入
されるパージ気体が可能な最小限の窒素濃度量を有する
とき、所望の空気分離は増進される。
Another beneficial feature of the present invention is the use of product oxygen from the product tank as a purge gas during the exhaust phase. The adsorbent bed vessel is, for example, a partial vacuum (subatmosph
eric), the nitrogen gas adsorbed on the surface of the adsorbent desorbs due to the partial pressure difference. The desorbed nitrogen remains in the space between the adsorbent particles in the container. It is desirable to remove most of such desorbed nitrogen from the adsorbent bed vessel. This is because as soon as the pressure in the container begins to increase, the partial pressurization propels the remaining nitrogen gas in the container back to the surface of the adsorbent for adsorption and the adsorbent is never fully regenerated. . By introducing a purge gas stream containing 90-93% pure oxygen from the product surge tank, the nitrogen gas remaining in the vessel is flushed and replaced with product oxygen gas. When the bed is subsequently repressurized, the void gas consists mainly of oxygen,
It is not adsorbed when the pressure in the vessel begins to rise, keeping the adsorbent surface fully regenerated in preparation for the next feed feeding stage. In general, the higher the oxygen purity of the purge gas, the more effective the purge stage. The reason is that the more nitrogen gas that remains in the vessel, the more gas will be re-adsorbed on the adsorbent during the partial repressurization step, reducing the effectiveness of regeneration of the adsorbent surface. The desired air separation is enhanced when the purge gas introduced into the vessel has the lowest possible nitrogen concentration.

【0024】本発明の実施において、従来技術の方式と
比較して20〜25%の生成物流量の改善が実現され、
それにより生成物気体は吸着剤床の再加圧気体源として
使用される。再加圧のために生成物気体の使用は、下流
での使用のためにそうした生成物気体の極く小部分のみ
しか利用し得ない結果をもたらしうる。容器の部分再加
圧のために空隙気体の使用により、本発明のプロセスに
おいて生成された生成物気体のすべてが生成物気体の所
望の下流での使用のために利用することができる。これ
は、単一床PSA操作の斯界での明確な性能上の利点を
与える。
In the practice of the present invention, an improvement in product flow of 20-25% over prior art approaches is realized,
The product gas is thereby used as a repressurized gas source for the adsorbent bed. The use of product gas for repressurization can result in only a very small portion of such product gas being available for downstream use. By using void gas for partial repressurization of the vessel, all of the product gas produced in the process of the present invention is available for the desired downstream use of the product gas. This provides a distinct performance advantage in the art for single bed PSA operation.

【0025】本発明の実施において、空気から窒素を選
択的に透過することのできる任意の適当な吸着剤が使用
されうる。例えば、5A及び13Xゼオライト型モレキ
ュラーシーブ材料のような周知のモレキュラーシーブが
従来方式で使用されうる。
In the practice of the present invention, any suitable adsorbent capable of selectively permeating nitrogen from air may be used. For example, well-known molecular sieves such as 5A and 13X zeolite type molecular sieve materials can be used in a conventional manner.

【0026】従来型式のセオライト型モレキュラーシー
ブが本発明の実施における吸着剤として使用されうる
が、様々の特別に改質された材料もまた、供給空気に対
して所望の窒素の選択的吸着と供給空気中の所望の生成
物気体としての容易に吸着されない成分としての酸素の
回収に使用されうる。かくして、吸着剤は、特定の具体
例においては、ゼオライトXのリチウムカチオン形態或
いは例えばリチウム及びカルシウム形態のようなその混
合カチオン形態でありうる。こうしたリチウムX、即ち
LiX吸着剤は空気或いは酸素のような小さな極性の即
ち分極性の少ない分子種を含む他の流れから窒素の吸着
に向けて高度に望ましい容量と選択性とを示すことが見
出された。
While conventional types of theolite type molecular sieves can be used as adsorbents in the practice of the present invention, a variety of specially modified materials are also available for selective adsorption and delivery of the desired nitrogen to the feed air. It can be used to recover oxygen as a non-adsorbed component of the desired product gas in air. Thus, the adsorbent may be, in certain embodiments, the lithium cation form of zeolite X or a mixed cation form thereof, such as the lithium and calcium forms. It has been found that such lithium X, or LiX, adsorbents exhibit highly desirable capacity and selectivity towards adsorption of nitrogen from other streams containing small polar or less polar species such as air or oxygen. Was issued.

【0027】本発明の実施において望ましくは使用され
るLiX吸着剤は、ゼオライトXのリチウムカチオン形
態であり、ここでは骨格Si/Al2 モル比が約2.0
〜3.0、好ましくは2.0〜2.5の範囲にありそし
てAlO2 −四面体ユニットの少なくとも約88%、好
ましくは少なくとも90%、一層好ましくは少なくとも
95%がリチウムカチオンと会合している。こうした高
度にイオン交換された形態のLiXの窒素吸着性能は、
86等量%以下のカチオンがリチウムでありそして残部
が主にナトリウムカチオンであるようなLiX材料を使
用して得られた結果からはまったく予知し得ない。更
に、ゼオライトX骨格におけるAlO2 −四面体ユニッ
トの相対比率ににおいて合計四面体ユニットの44.4
%から当該合計ユニットの50%までの増大とそれに伴
うLi+ イオンの増大、即ち各場合に同じLi+ イオン
の同じ等量%は窒素に対するゼオライトの吸着容量及び
選択性のLiX材料におけるカチオンの数における示さ
れた増加に単に関係するよりも格段に大きな増大する役
目を果たすことが見出された。
The LiX adsorbent preferably used in the practice of this invention is the lithium cation form of zeolite X, where the framework Si / Al 2 molar ratio is about 2.0.
3.0, preferably in the range of 2.0 to 2.5 and AlO 2 - at least about 88% of the tetrahedral unit, preferably at least 90%, more preferably at least 95% is associated with lithium cations There is. The nitrogen adsorption performance of such highly ion-exchanged LiX is
It is completely unpredictable from the results obtained using a LiX material where less than 86 equivalents of cation is lithium and the balance is predominantly sodium cation. Further, in the relative proportion of AlO 2 -tetrahedral units in the zeolite X skeleton, the total tetrahedral unit is 44.4.
% To 50% of the total unit and the associated increase in Li + ions, ie the same equivalent% of the same Li + ion in each case is the adsorption capacity of the zeolite for nitrogen and the number of cations in the LiX material of selectivity. It has been found to play a significantly greater role than just related to the shown increase in.

【0028】本発明の実施において使用のためのLiX
材料の調製において、従来からの入手しうるゼオライト
X出発材料が容易に使用されうる。2種のこうした材料
は、主にナトリウムカチオンを有する、2.5及び2.
0のSiO2/Al2O3比を有するゼオライトX、即ちNaX材
料である。2.5NaX材料は、米国特許第2,88
2,244号の教示に従って試薬として珪酸ナトリウム
及びアルミン酸ナトリウム並びに水を使用して約100
℃の温度で熱水反応的に合成されうる。反応混合物は酸
化物モル比で表して次の組成を有する:3.5Na2O:Al2O3:
3.0SiO2:144H2O
LiX for use in the practice of the present invention
Conventionally available zeolite X starting materials can be readily used in the preparation of the materials. Two such materials have predominantly sodium cations, 2.5 and 2.
Zeolite X having a SiO 2 / Al 2 O 3 ratio of 0, a NaX material. 2.5NaX material is described in US Pat. No. 2,88.
Approximately 100 using sodium silicate and sodium aluminate and water as reagents according to the teachings of 2,244.
It can be synthesized hydrothermally at a temperature of ° C. The reaction mixture has the following composition expressed in oxide molar ratio: 3.5Na 2 O: Al 2 O 3 :
3.0SiO 2 : 144H 2 O

【0029】2.0NaX材料は混合ナトリウム−カリ
ウム形態で合成されうる。例えば、まず、267gの5
0%NaOH水溶液中に加熱及び攪拌を使用して208
gのAl(OH)3 を溶解して第1の溶液、即ち溶液
(a)を形成する。溶液(b)は、1000g水中に2
87gの85.3%KOHペレットを溶解しそしてこう
して形成された溶液を671gの50%NaOH水溶液
と混合することにより調製される。溶液(a)が溶液
(b)に徐々に添加されて溶液(c)を形成し、これが
4〜12℃に冷却される。溶液(d)が453.25g
の40等級珪酸ナトリウム(9.6%Na2 O、30.
9%SiO2 )を1,131.7gの水で稀釈すること
により調製される。冷却された溶液(c)が混合器にお
いて溶液(d)に添加されそして3分間低速度で混合さ
れる。最終混合において冷却と不当量の機械的エネルギ
ーの発生の回避が高品質製品の調製に重要な因子であ
る。ゲル化は約4分後まで起こるべきではない。ゲルは
36℃で2〜3日置かれそして70℃で16時間熟成さ
れる。所望のゼオライトがその後ろ過により単離されそ
してフィルターケーキは母液の容積の7倍に相当する量
においてNaOH水溶液(pH:12)で水洗される。
水洗された生成物は、4lのNaOH水溶液(pH:1
0)中で再スラリー化され、ろ過により回収されそして
水洗される。再スラリー化過程は、望ましくは2回以上
繰り返されそして単離された生成物は大気乾燥される。
乾燥した生成物は、100mlの1%NaOH溶液中で
スラリー化されそしてスラリー中で90℃において21
時間維持される。ろ過後、ケーキは、1000mlのN
aOH溶液(pH:12)で60℃おいて30分間再ス
ラリー化されそしてろ過される。再スラリー化プロセス
は、望ましくは2回以上繰り返されそして後固形分がろ
過により回収されNaOH水溶液(pH:9)で洗浄さ
れそして後大気乾燥される。
The 2.0NaX material can be synthesized in the mixed sodium-potassium form. For example, first, 267g of 5
208 using heating and stirring in 0% aqueous NaOH
g Al (OH) 3 is dissolved to form a first solution, solution (a). Solution (b) is 2 g in 1000 g water.
Prepared by dissolving 87 g of 85.3% KOH pellets and mixing the solution thus formed with 671 g of 50% aqueous NaOH. Solution (a) is gradually added to solution (b) to form solution (c), which is cooled to 4-12 ° C. 453.25 g of solution (d)
40 grade sodium silicate (9.6% Na 2 O, 30.
9% SiO 2 ) is prepared by diluting with 131.7 g of water. The cooled solution (c) is added to the solution (d) in a mixer and mixed at low speed for 3 minutes. Cooling and avoiding the generation of unequal amounts of mechanical energy in the final mix are important factors in the preparation of high quality products. Gelation should not occur until after about 4 minutes. The gel is placed at 36 ° C for 2-3 days and aged at 70 ° C for 16 hours. The desired zeolite is then isolated by filtration and the filter cake is washed with aqueous NaOH solution (pH: 12) in an amount corresponding to 7 times the volume of the mother liquor.
The washed product was washed with 4 l of NaOH aqueous solution (pH: 1
Reslurry in 0), collect by filtration and wash with water. The reslurry process is preferably repeated two or more times and the isolated product is air dried.
The dried product was slurried in 100 ml of 1% NaOH solution and 21% at 90 ° C. in the slurry.
Maintained for hours. After filtration, the cake is 1000 ml N
It is reslurried with an aOH solution (pH: 12) at 60 ° C. for 30 minutes and filtered. The reslurry process is desirably repeated two more times and the post-solids are collected by filtration, washed with aqueous NaOH (pH: 9) and post-air dried.

【0030】上述したように調製されたものとしての
2.5NaXを使用して、ゼオライト「予備成形」凝集
物が、まず出発ゼオライト結晶を12のpHを有しそし
て実質上水酸化ナトリウムと水からなる苛性水溶液で洗
浄しそして後水で9のpHまで洗浄することにより生成
されうる。洗浄されたゼオライト結晶はその後、アベリ
ー粘土(Avery clay)−市販入手しうるカオリン型粘土
−と80重量%ゼオライト及び20重量%粘土の比率で
混合される。ゼオライト−粘土混合物はその後、十分量
の水と混合されて、充分な生の強度を有する押出可能な
材料を生成し、押し出されたペレットが充分なる焼成段
階を受けることを可能ならしめる。焼成段階において、
カオリン室粘土は約650℃において約1時間で活性な
メタカオリン形態に変換される。焼成後、結合した凝集
物は冷却されそして苛性水溶液中に約100℃で浸漬及
び熟成されてメタカオリンのバルクを主にゼオライトX
結晶であるゼオライト結晶に変換する。熟成された凝集
物は苛性熟成溶液から取り出され、再度9〜10のpH
を有する新しいNaOH水溶液で洗浄されそして大気乾
燥される。乾燥した生成物ペレットは粉砕されそして1
6×40メッシュのような都合の良い寸法を有する粒子
形態を有するように分篩される。
Using 2.5NaX as prepared as described above, the zeolite "preformed" agglomerates initially had a pH of 12 starting zeolite crystals and were essentially free from sodium hydroxide and water. Can be produced by washing with an aqueous caustic solution and then with water to a pH of 9. The washed zeolite crystals are then mixed with Avery clay-a commercially available kaolin-type clay-at a ratio of 80 wt% zeolite and 20 wt% clay. The zeolite-clay mixture is then mixed with a sufficient amount of water to produce an extrudable material with sufficient green strength to allow the extruded pellets to undergo a sufficient firing step. In the firing stage,
Kaolin chamber clay is converted to the active metakaolin form in about 1 hour at about 650 ° C. After calcination, the bound agglomerates are cooled and soaked and aged in caustic aqueous solution at about 100 ° C. to give a bulk of metakaolin, mainly zeolite X.
Converts to crystalline zeolite crystals. The aged agglomerates were removed from the caustic aging solution and re-pHed to 9-10.
Washed with fresh aqueous NaOH solution and air dried. The dried product pellets are crushed and 1
Sieve to have a particle morphology with convenient dimensions such as 6x40 mesh.

【0031】こうしたメッシュの粒子は、375℃の温
度で約2.5時間真空中で加熱することにより賦活され
うる。この賦活はゼオライトNaX結晶が吸蔵された及
び/或いは吸着された水から形成される水蒸気による過
酷な熱水作用を受けないようにこの態様で注意深く実施
される。こうして形成された賦活材料は2.5NaX賦
活材料である。
The particles of such a mesh can be activated by heating in vacuum at a temperature of 375 ° C. for about 2.5 hours. This activation is carried out carefully in this manner so that the zeolite NaX crystals are not subjected to the severe hydrothermal action by the water vapor formed from the occluded and / or adsorbed water. The activation material thus formed is 2.5NaX activation material.

【0032】LiX材料の調製において、賦活されてい
ない所定のメッシュの粒子は、粒子がガラス製カラム内
でLiOHを使用して9.0のpHに調整された1.0
モル水性塩化リチウムの流れにより80℃の温度で接触
を受けるようにイオン交換過程に置かれうる。塩化リチ
ウム溶液の量は、約14時間にわたって化学量論の4倍
過剰のリチウムイオンと望ましくは接触されるように使
用される。カラムから流出したイオン交換溶液は再循環
されない。生成するイオン交換された生成物は水で洗浄
されそしてLiOHを使用して9のpHに調整されそし
てこの場合94%イオン交換される。
In the preparation of the LiX material, the unactivated particles of a given mesh had a particle size of 1.0 adjusted to a pH of 9.0 using LiOH in a glass column.
It may be subjected to an ion exchange process so as to be contacted by a stream of molar aqueous lithium chloride at a temperature of 80 ° C. The amount of lithium chloride solution is used so that it is desirably contacted with a 4-fold stoichiometric excess of lithium ions for about 14 hours. The ion exchange solution flowing out of the column is not recycled. The resulting ion-exchanged product is washed with water and adjusted to a pH of 9 using LiOH and in this case 94% ion-exchanged.

【0033】上述したように調製された低シリカ2.0
NaKX材料を使用して、アルカリ金属カチオンが塩化
リチウム水溶液(pH:9、LiOHにより調整)を使
用してのイオン交換により所望なら99等量%を超える
程度までリチウムカチオンにより置換されうる。この材
料は、粉末形態において、2.0LiX(99%)材料
を含んでいる。
Low silica 2.0 prepared as described above
Using NaKX material, the alkali metal cations can be replaced by lithium cations if desired by ion exchange using aqueous lithium chloride (pH: 9, adjusted with LiOH) to greater than 99 equivalent%. This material comprises 2.0 LiX (99%) material in powder form.

【0034】当業者は、LiX調製過程においてまた混
合カチオン吸着剤の調製において、これらは改善された
PSA方法及び装置に関する本発明の一部を形成するも
のではないが、その細部にさまざまの変更や修正をなし
うるものであることを理解しよう。この理解でもって、
例えば2.5NaX材料がさまざまの量のリチウムカチ
オンを有する生成物が形成されるように4倍量のLiC
lを超える或いは未満のいずれかを使用して塩化リチウ
ム(pH:9、LiOHを使用して調整)と上述した容
積技術を使用してイオン交換されうることを銘記すべき
である。所望されるLiX材料が塩化リチウムの代わり
に炭酸リチウムもしくは他の種リチウム塩を使用してそ
うしたイオン交換により調製されうることもまた理解さ
れよう。同様に、本発明の特定の具体例において使用の
ための望ましい吸着剤を構成するLiX材料或いはLi
CaX材料のような混合カチオン材料が与えられた用途
の実際的な操作要件、例えば特定の供給気体或いは生成
物気体圧力乃至温度条件にそして/或いは与えられた用
途に関与する分離及び回収の所望の水準に対応する様々
の操作条件の下で使用されうる。
Those skilled in the art will appreciate that in the LiX preparation process and in the preparation of mixed cation adsorbents, these do not form part of the present invention for improved PSA methods and apparatus, although various changes in the details and Understand that it can be modified. With this understanding,
For example, 2.5 NaX material has 4 times the amount of LiC so that products with varying amounts of lithium cations are formed.
It should be noted that it can be ion-exchanged with lithium chloride (pH: 9, adjusted using LiOH) using either more or less than 1 and the volumetric technique described above. It will also be appreciated that the desired LiX material can be prepared by such ion exchange using lithium carbonate or other seed lithium salt instead of lithium chloride. Similarly, the LiX material or Li that constitutes the desired adsorbent for use in certain embodiments of the present invention.
The mixed cation materials, such as CaX materials, may have practical operational requirements for a given application, such as specific feed gas or product gas pressure to temperature conditions and / or the desired separation and recovery associated with the given application. It can be used under various operating conditions corresponding to the level.

【0035】本発明の範囲から逸脱することなく本発明
の細部に他の多くの変更をなすことができる。上下に浅
い皿状のヘッドを備える円筒状吸着剤容器がそこを通し
て軸線方向に気体流れを流すようにして一般に使用され
ているが、別様には、気体流れが半径方向である、すな
わち流れが外側円筒周面に流入しそして内側円筒内に移
入し、ここで生成物流れを収集するようにした吸着剤容
器を使用することができる。流れ面積が可変面積の断面
流路であるから、流れと関連する圧力損失がそれにより
低減され、従って一層の動力消費量の節減を得ることが
できる。加えて一層多量の吸着剤を収蔵し、一層多くの
生成物を生成するために吸着剤容器の軸線長さを非常に
長くすることができるが、流路長さは容器の半径に保持
され、従って半径方向流れと関連する圧力降下は変化し
ない。1000ポンド(450kg)のモレキュラーシ
ーブ/TPDの床寸法係数(BSF)に基づいて、この
型式の容器形態に対する流量範囲は、吸着剤容器内に1
5,000〜80,000ポンド(6750〜3600
0kg)のモレキュラーシーブ吸着剤を使用して15,
000〜80,000NCFH(420〜2240m3
/時間:標準状態)の酸素流量範囲となろう。
Many other changes can be made in the details of the invention without departing from the scope of the invention. Cylindrical adsorbent vessels with shallow dish heads above and below are commonly used with an axial gas flow therethrough, but otherwise the gas flow is radial, i.e. Adsorbent vessels adapted to enter the outer cylinder perimeter and into the inner cylinder where the product stream is collected can be used. Since the flow area is a variable-area cross-section flow path, the pressure losses associated with the flow are thereby reduced, and thus further power consumption savings can be obtained. In addition, the axial length of the adsorbent vessel can be made very long in order to store a larger amount of adsorbent and produce more product, but the flow path length is kept at the radius of the vessel, Therefore, the pressure drop associated with radial flow does not change. Based on 1000 lbs (450 kg) molecular sieve / TPD bed size factor (BSF), the flow range for this type of vessel configuration is 1 in the adsorbent vessel.
5,000-80,000 pounds (6750-3600)
0 kg) molecular sieve adsorbent 15,
000-80,000 NCFH (420-2240 m 3
/ Hour: Standard state) oxygen flow rate range.

【0036】リチウム交換吸着剤を使用するVPSAプ
ラントは供給物温度が供給物アフタークーラーにおいて
冷却水で管理しうる時温暖な天候条件でも非常に良好に
作働することを銘記すべきである。しかし、寒冷な天候
においては、周囲温度が氷点に近いかもしくはそれより
低い時、吸着剤の温度は下がり、そしてリチウム交換吸
着剤を使用する吸着剤の性能は低下するように思われ
る。吸着剤容器内の温度を増大するために、容器内への
供給空気は温暖な周囲条件中関与する温度に近い水準に
加熱されうる。これは、夏の周囲温度が24〜27℃を
越えない気候において、供給物アフタークーラーの代わ
りにブロワーへの入口に予熱器を付加することにより達
成しうる。
It should be noted that VPSA plants using lithium exchange adsorbents work very well even in warm weather conditions when the feed temperature can be controlled with cooling water in the feed aftercooler. However, in cold weather, when the ambient temperature is near or below freezing, the temperature of the adsorbent decreases and the performance of the adsorbent using the lithium exchange adsorbent appears to decrease. In order to increase the temperature in the adsorbent vessel, the feed air into the vessel can be heated to a level close to the temperature involved during warm ambient conditions. This may be achieved by adding a preheater at the inlet to the blower instead of the feed aftercooler in climates where ambient temperatures in summer do not exceed 24-27 ° C.

【0037】生成物流れユニットを一層コスト節減効果
のあるものとするために、本発明の特定の具体例からは
アフタークーラー及び予熱器特徴を排除することができ
る。変動する周囲条件、その結果としての容器温度によ
る生成物回収の減少はPSA乃至VPSAシステムにそ
うした部品の追加使用に見合うほどに十分の意義を持た
ない場合もある。入口の空気消音器/緩衝タンクの使用
を排除することもまた本発明の範囲内である。気体の脈
動作用の故に、この排除は大規模なプラントに対しては
推奨できないが、もっと少ない生成物流量、すなわち5
〜10トン/日範囲に対しては排除することができる。
供給/排気放出消音器すなわち部品9及び11の組み合
わせもまたPSA乃至VPSAシステムを簡易化するの
に役立ちそして本発明の実用的な工業具体例において全
体的なコストの節約を与える。
In order to make the product flow unit more cost effective, the aftercooler and preheater features may be eliminated from certain embodiments of the present invention. The varying ambient conditions and the resulting reduction in product recovery due to vessel temperature may not be significant enough to warrant additional use of such components in PSA to VPSA systems. It is also within the scope of the invention to eliminate the use of an inlet air muffler / buffer tank. This exclusion is not recommended for large plants due to the pulsating behavior of the gas, but a lower product flow, ie 5
It can be excluded for the range of -10 tons / day.
The combination of supply / exhaust emission silencer or components 9 and 11 also helps to simplify the PSA to VPSA system and provides overall cost savings in a practical industrial embodiment of the invention.

【0038】一層高い純度の生成物が所望される状況に
おいては、第6段階、すなわち二次再加圧段階が使用さ
れうる。容器が均等化タンクから85〜89%の酸素純
度における再加圧気体を受け取った後、第6段階は、吸
着剤容器の空隙内に例えば90〜93%純度の一層高い
酸素気体を導入するように生成物サージタンクから少量
のパージ気体を取り込む。この態様で、空隙内の平均純
度は増加し、従って一層高い純度の酸素生成物が酸素生
成物純度のそうした増加を実現するのに、生成物の回収
率は若干犠牲となるが、生成物流量の大きな減少なく生
成されうる。
In situations where a higher purity product is desired, the sixth stage, the secondary repressurization stage, may be used. After the vessel receives the repressurized gas at 85-89% oxygen purity from the equalization tank, the sixth step is to introduce higher oxygen gas, eg 90-93% pure, into the cavities of the adsorbent vessel. Take in a small amount of purge gas from the product surge tank. In this manner, the average purity in the voids is increased, and thus higher purity oxygen products achieve such an increase in oxygen product purity, at the expense of some product recovery, but at the product flow rate. Can be produced without a significant decrease in

【0039】[0039]

【発明の効果】本発明は、単一床PSA及びVPSAプ
ロセス操作における改善を提供する。改善された生成物
流量を実現しそして単一吸着剤床の吸着容量を増大する
ことにより、本発明は単一床操作を向上しそして実用的
な空気分離操作において低コスト単一床PSA及びVP
SAシステムを使用することの有用性を更に増進する。
本発明の実施において、従来技術の方式と比較して20
〜25%の生成物流量の改善が実現され、それにより生
成物気体は吸着剤床の再加圧気体源として使用される。
生成物サージタンクから90〜93%純度の酸素を含む
パージ気体流れを導入することにより、容器内に残存す
る窒素気体は洗い流されそして生成物酸素気体と置換さ
れる。床がその後再加圧されるとき、空隙気体は主に酸
素からなり、これは容器内の圧力が上昇し始めるとき吸
着されず、吸着剤表面を次の供給物供給段階に備えて充
分に再生された状態に保持せしめる。再加圧のために生
成物気体の使用は、下流での使用のためにそうした生成
物気体の極く小部分のみしか利用し得ない結果をもたら
しうる。容器の部分再加圧のために空隙気体の使用によ
り、本発明のプロセスにおいて生成された生成物気体の
実質上すべてが生成物気体の所望の下流での使用のため
に利用することができる。これは、単一床PSA操作の
斯界での明確な性能上の利点を与える。
The present invention provides improvements in single bed PSA and VPSA process operation. By achieving an improved product flow rate and increasing the adsorption capacity of a single adsorbent bed, the present invention improves single bed operation and is a low cost single bed PSA and VP for practical air separation operations.
It further enhances the utility of using the SA system.
In practicing the present invention, 20 compared to prior art schemes
A product flow improvement of ~ 25% is achieved whereby the product gas is used as a repressurized gas source for the adsorbent bed.
By introducing a purge gas stream containing 90-93% pure oxygen from the product surge tank, the nitrogen gas remaining in the vessel is flushed and replaced with product oxygen gas. When the bed is subsequently repressurized, the void gas consists mainly of oxygen, which is not adsorbed when the pressure in the vessel begins to rise and the adsorbent surface is fully regenerated in preparation for the next feed feed stage. To keep it in the specified state. The use of product gas for repressurization can result in only a very small portion of such product gas being available for downstream use. Due to the use of void gas for partial repressurization of the vessel, substantially all of the product gas produced in the process of the present invention is available for desired downstream use of the product gas. This provides a distinct performance advantage in the art for single bed PSA operation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】空気から酸素の製造のための単一処理床、単一
機械VPSAシステム設備の特定の具体例の流れ図であ
る。
1 is a flow chart of a specific embodiment of a single process bed, single machine VPSA system facility for the production of oxygen from air.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 管路 2 供給ブロワー/真空ブロワー兼用ブロワーユニット 3 ダストフィルター−気体消音器ユニット 4 弁 5、6、7 管路 8 弁 9、11 出口スナバーユニット 10 管路 12 アフタークーラー 13 弁 14 放出管路 15、17 弁 16 管路 19 単一吸着床 20、21、24、27 管路 22、29 弁 23 均等化タンク 25 逆止弁 26 生成物サージタンク 1 Pipeline 2 Supply blower / vacuum blower combined use blower unit 3 Dust filter-gas silencer unit 4 Valves 5, 6, 7 Pipeline 8 Valves 9 and 11 Exit snubber unit 10 Pipeline 12 Aftercooler 13 Valve 14 Discharge pipeline 15 , 17 valves 16 pipelines 19 single adsorption bed 20, 21, 24, 27 pipelines 22, 29 valves 23 equalization tank 25 check valve 26 product surge tank

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 空気から酸素の回収のための圧力変化式
吸着方法であって、(a)供給空気を空気中の容易に吸
着しうる成分としての窒素を選択的に吸着することので
きる吸着剤材料の単一床の供給端に通し、該床内の圧力
を中間圧力から上方吸着圧力まで増大し、空気中の容易
に吸着しえない成分としての酸素を該床の生成物端から
前記上方吸着圧力に近い圧力における生成物サージタン
クに通す段階と、(b)前記床の生成物端から空隙気体
の放出により該床を中間圧力まで供給空気流れと同方向
流れで減圧し、該空隙気体を均等化タンクに通す段階
と、(c)前記床供給端からの追加量の気体の放出によ
り床を中間圧力から下方脱着圧力まで供給空気流れと反
対方向流れで減圧する段階と、(d)前記生成物サージ
タンクから生成物気体の側流を前記床の生成物端にパー
ジ気体として通し、脱着された窒素を前記下方脱着圧力
において床の空隙から排斥し、該排斥した脱着窒素を該
床の供給端から放出する段階と、(e)前記均等化タン
クからの空隙気体を前記床の生成物端に導入して、該床
内の圧力を前記下方脱着圧力から前記中間圧力まで増大
する段階と、(f)追加量の供給空気を前記単一床の供
給端に通し、前記段階(a)〜(e)の周期的な操作を
継続する段階とを包含し、それにより生成物酸素を増大
した生成物流量において空気から回収し、吸着剤材料の
単一床の吸着能を向上したことを特徴とする空気から酸
素の回収のための圧力変化式吸着方法。
1. A pressure-changing adsorption method for recovering oxygen from air, which comprises (a) adsorption capable of selectively adsorbing nitrogen as a component in air which can easily adsorb supply air. Passing through the feed end of a single bed of agent material, increasing the pressure in the bed from an intermediate pressure to an upper adsorption pressure, and oxygen as a non-adsorbable component of the air from the product end of the bed Passing through a product surge tank at a pressure close to the upper adsorption pressure, and (b) depressurizing the bed to an intermediate pressure in the same direction as the feed air flow by releasing void gas from the product end of the bed, Passing the gas through an equalization tank; (c) depressurizing the bed from an intermediate pressure to a lower desorption pressure in a counter-current flow to the feed air flow by releasing an additional amount of gas from the bed feed end; ) Product gas from the product surge tank Passing a sidestream of the gas as a purge gas through the product end of the bed to evacuate desorbed nitrogen from the voids of the bed at the lower desorption pressure and release the desorbed desorbed nitrogen from the feed end of the bed; (E) introducing void gas from the equalization tank to the product end of the bed to increase the pressure in the bed from the lower desorption pressure to the intermediate pressure; and (f) supplying an additional amount. Passing air through the feed end of the single bed and continuing the cyclical operation of steps (a)-(e), whereby product oxygen is recovered from the air at an increased product flow rate. And a pressure change adsorption method for recovering oxygen from air, which is characterized by improving the adsorption capacity of a single bed of adsorbent material.
【請求項2】 下方脱着圧力が部分真空圧力である請求
項1の圧力変化式吸着方法。
2. The pressure-changing adsorption method according to claim 1, wherein the lower desorption pressure is a partial vacuum pressure.
【請求項3】 上方吸着圧力が大気圧を超える圧力であ
りそして中間圧力が大気圧より低い圧力である請求項2
の圧力変化式吸着方法。
3. The upper adsorption pressure is above atmospheric pressure and the intermediate pressure is below atmospheric pressure.
Pressure change type adsorption method.
【請求項4】 吸着剤材料がゼオライト型モレキュラー
シーブ材料である請求項1の圧力変化式吸着方法。
4. The pressure change adsorption method according to claim 1, wherein the adsorbent material is a zeolite type molecular sieve material.
【請求項5】 段階(e)における空隙気体の床への導
入に続いて生成物サージタンクから少量の生成物気体を
床の生成物端に通す段階を含み、それにより該床の空隙
気体の酸素の平均純度を増大する請求項1の圧力変化式
吸着方法。
5. A step of passing a small amount of product gas from a product surge tank to the product end of the bed following the introduction of the void gas into the bed in step (e), whereby The pressure change adsorption method according to claim 1, wherein the average purity of oxygen is increased.
【請求項6】 供給空気から酸素の回収のための圧力変
化式吸着装置であって、(a)空気中の容易に吸着しう
る成分としての窒素を選択的に吸着することのできる吸
着剤材料の単一床と、(b)前記床の生成物端から放出
された空隙気体の保持のための均等化タンクと、(c)
前記床の生成物端から放出された生成物酸素の保持のた
めの生成物サージタンクと、(d)空隙気体の均等化タ
ンクへのそして生成物酸素の生成物サージタンクへの通
流のための導管手段と、(e)空隙気体の均等化タンク
への流れ及び生成物酸素の生成物サージタンクへの流れ
並びに空隙気体の均等化タンクから該床生成物端への流
れ及び生成物酸素の側流の生成物サージタンクから該床
生成物端への流れを制御するための制御手段と、(f)
空気を床の供給端に通すための供給物ブロワー手段と、
(g)前記床の供給端から空隙気体及び窒素を放出する
ための導管手段とを含み、それにより生成物酸素を圧力
変化式吸着装置において増大した生成物流量において回
収することができ、吸着剤材料の単一床の吸着能を向上
したことを特徴とする空気から酸素の回収のための圧力
変化式吸着装置。
6. A pressure change adsorption device for recovering oxygen from supply air, comprising: (a) an adsorbent material capable of selectively adsorbing nitrogen as an easily adsorbable component in air. A single bed of: (b) an equalization tank for holding void gases released from the product end of said bed; (c)
A product surge tank for holding product oxygen released from the product end of the bed, and (d) for passing void gas to the equalization tank and to product oxygen to the product surge tank. And (e) the flow of void gas to the equalization tank and the flow of product oxygen to the product surge tank and the flow of void gas from the equalization tank to the bed product end and the flow of product oxygen. Control means for controlling the flow of the sidestream product surge tank to the bed product end; (f)
Feed blower means for passing air through the feed end of the floor,
(G) conduit means for releasing void gases and nitrogen from the feed end of the bed, whereby product oxygen can be recovered in a pressure swing adsorption device at an increased product flow rate and the adsorbent A pressure-changing adsorption device for the recovery of oxygen from air, characterized in that the adsorption capacity of a single bed of material is improved.
【請求項7】 生成物酸素の生成物サージタンクへの流
れを制御する手段が逆止弁を含む請求項6の圧力変化式
吸着装置。
7. The pressure swing adsorption apparatus of claim 6, wherein the means for controlling the flow of product oxygen to the product surge tank comprises a check valve.
【請求項8】 生成物酸素の生成物サージタンクへの流
れを制御する手段が圧力制御弁を含む請求項6の圧力変
化式吸着装置。
8. The pressure swing adsorption apparatus of claim 6, wherein the means for controlling the flow of product oxygen to the product surge tank comprises a pressure control valve.
【請求項9】 吸着剤材料がゼオライト型モレキュラー
シーブ材料である請求項6の圧力変化式吸着装置。
9. The pressure-changing type adsorption device according to claim 6, wherein the adsorbent material is a zeolite type molecular sieve material.
【請求項10】 吸着剤材料がリチウム置換したゼオラ
イト型モレキュラーシーブ材料である請求項9の圧力変
化式吸着装置。
10. The pressure-change type adsorption device according to claim 9, wherein the adsorbent material is a lithium-type zeolite-type molecular sieve material.
【請求項11】 供給物ブロワー手段が空隙気体と窒素
の部分真空での放出のために該空隙気体と窒素を床の供
給端から導管手段まで抜き出す供給物ブロワー兼排気ブ
ロワー手段とされる請求項6の圧力変化式吸着装置。
11. The feed blower means is a feed blower and exhaust blower means for withdrawing the void gas and nitrogen from the feed end of the bed to the conduit means for partial void vacuum and nitrogen release. 6 pressure change type adsorption device.
【請求項12】 床の供給端に通る空気の冷却のために
供給物ブロワー手段の下流にアフタークーラーを含む請
求項6の圧力変化式吸着装置。
12. The pressure swing adsorption apparatus of claim 6 including an aftercooler downstream of the feed blower means for cooling air passing to the feed end of the bed.
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